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Title:
SLIDING ELEMENT IN AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE, IN PARTICULAR A PISTON RING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2010/040596
Kind Code:
A1
Abstract:
A sliding element in an internal combustion engine has a coating which has the following layers from the outside inwards: a first carbon-based layer, a second carbon-based layer which is harder and/or has a smaller proportion of hydrogen than the first carbon-based layer, a PVD layer and a bonding layer.

Inventors:
FISCHER MANFRED (DE)
HOPPE STEFFEN (DE)
Application Number:
PCT/EP2009/060987
Publication Date:
April 15, 2010
Filing Date:
August 26, 2009
Export Citation:
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Assignee:
FEDERAL MOGUL BURSCHEID GMBH (DE)
FISCHER MANFRED (DE)
HOPPE STEFFEN (DE)
International Classes:
C23C28/00; C23C28/04; C23C30/00; F16J9/26
Domestic Patent References:
WO2007020139A12007-02-22
WO2006125683A12006-11-30
Foreign References:
EP2083095A22009-07-29
DE29605666U11996-05-30
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
SPILGIES, Jan-Hendrik et al. (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Gleitelement in einem Verbrennungsmotor, insbesondere Kolbenring, mit einer Beschichtung, die von außen nach innen zumindest folgende Schichten aufweist:

eine erste Kohlenstoff-basierte Schicht, eine zweite Kohlenstoff-basierte Schicht, die härter ist und/oder einen geringeren Wasserstoffanteii aufweist als die erste Kohlenstoff-basierte Schicht, eine PVD-Schicht, und eine Haftschicht.

2. Gleitelement in einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Kohlenstoff-basierte Schicht eine Schicht des Typs a-C:H ist.

3. Gleitelement in einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Kohlenstoff-basierten Schicht und der PVD- Schicht eine dritte, metallhaltige Kohlenstoff-basierte Schicht vorgesehen ist.

4. Gleitelement in einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Kohlenstoffbasierte Schicht eine Schicht des Typs a~C:H:W ist.

5. Gleitelement in einem Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der ersten und zweiten, gegebenenfalls einschließlich der dritten Kohlenstoff-basierten Schicht > 3 μra und/oder < 5 μm ist .

6. Gleitelement in einem Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Schicht einen Reibungskoeffizienten aufweist, der im Wesentlichen gleich zu dem Reibungskoeffizienten zumindest einer Kohlenstoff-basierten Schicht ist.

7. Gleitelement in einem Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Schicht einen Reibungskoeffizienten von etwa 0,02 auf Grauguss aufweist.

8. Gleitelement in einem Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Schicht eine Schicht des Typs CrN ist.

9. Gleitelement in einem Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Schicht eine Schichtdicke von > lOμm aufweist.

10. Gleitelement in einem Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht eine metallische Schicht, insbesondere eine Chromschicht ist.

11. Gleitelement in einem Verbrennungsmotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht eine Schichtdicke von < 0,5 μm aufweist.

Description:
Gleitelement in einem Verbrennungsmotor,, insbesondere

Kolbenring

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Gleitelement in einem Verbrennungsmotor, insbesondere einen Kolbenring.

Der Kraftstoffverbrauch eines Verbrennungsmotors, und damit sein C0 2 -Ausstoß hangt maßgeblich von den Reibverlusten im Motor ab. Hierbei entsteht ein großer Anteil der Reibverluste an der Kolbengruppe und insbesondere den Kolbenringen. Insoweit ist es ein Bestreben auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren, jegliche Gleitelemente m einem Verorennungsmotor, d.h. den Kolben, die Kolbenringe und die Zylmderlaufbuchsen reibungsreduziert zu gestalten. Ferner ist es wünschenswert, für die genannten Elemente ein gutes Einlaufverhalten zu schaffen, und eine vergleichsweise geringe Reibung über die gesamte Lebensdauer des Motors zu realisieren.

Stand der Technik

Aus der DE 10 2005 063 123 B3 geht ein Gleitelement hervor, das eine Verschleißschutz- und eine Einlaufschicht sowie bevorzugt eine dazwischen befindliche metallische Zwischenschicht aufweist . Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gleitelement für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Kolbenring zu schaffen, bei dem ein günstiges Einlaufverhalten mit einem dauerhaft geringen Reibbeiwert kombiniert ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den Gegenstand des Anspruchs 1.

Demzufolge wird ein Gleitelement in einem Verbrennungsmotor, wie z.B. ein Kolben, eine Zylinderlaufbuchse, jedoch insbesondere ein Kolbenring vorgestellt, der/die eine Beschichtung aufweist, die von außen nach innen zumindest die folgenden Schichten aufweist: eine erste Kohlenstoff-basierte Schicht, eine zweite Kohlenstoff-basierte Schicht, die härter ist und/oder einen geringeren Wasserstoffanteil aufweist als die erste Kohlenstoff-basierte Schicht, eine PVD-Schicht und eine Haftschicht.

Die erste, äußerste Kohlenstoff-basierte Schicht ist, insbesondere verglichen mit der zweiten Kohlenstoff-basierten Schicht vergleichsweise weich, weist jedoch ein günstiges Reibverhalten auf. Ferner ist sie in vorteilhafter Weise gegenüber den bekannten DLC (diamond-like carbon) -Schichten erhöht verschleißbeständig. Diese Vorteile können durch besonders geeignete Abscheideverfahren und der Prozessparameter erreicht werden. In vorteilhafter Weise kann die beschriebene, äußerste, Kohlenstoff-basierte Schicht in sich modifiziert sein, um ein gutes Einlaufverhalten zu realisieren, mit anderen Worten der Einlauf beispielsweise des Kolbenrings mit der Zylinderlauffläche optimiert wird.

Die zweite, darunter befindliche Kohlenstoff-basierte Schicht erreicht in vorteilhafter Weise eine gute Anbindung und Haftung der beiden Kohlenstoff-basierten Schichten an die sich daran anschließende PVD-Schicht. Zumindest eine der Kohlenstoff-basierten Schichten kann als DLC-Schicht ausgeführt sein. Bevorzugt weisen die beiden Kohlenstoffbasierten Schichten eine vergleichsweise geringe Dicke auf, sodass sie eine begrenzte Lebensdauer haben und als Einlaufschicht genutzt werden können.

Als „langfristig" äußerste Schicht ist eine PVD (physical vapor deposition) -Schicht vorgesehen. Durch Ausbildung einer besonderen Porigkeit lässt sich ein günstiger Reibungskoeffizient realisieren, der vorteilhafterweise in der Größenordnung der Kohlenstoff-basierten Einlaufschichten liegt. Bei Versuchen hat sich herausgestellt, dass sich ein derartiger Reibungskoeffizient ohne störendes Einlaufverhalten infolge der Anwesenheit der beiden Kohlenstoff-basierten Schichten einstellt. Die PVD-Schicht ist vergleichsweise dick, weist beispielsweise eine Mindestschichtdicke von 10 μm auf und ist dementsprechend dauerhaft und verschleißbeständig. Somit wird die geforderte Lebensdauer erreicht.

Schließlich ist zu dem Grundmaterial des Gleitelements , beispielsweise des Kolbenrings, bei dem es sich um Stahl, Gusseisen oder andere geeignete Werkstoffe handeln kann, eine Haftschicht vorgesehen. Insgesamt kann der Grundgedanke der Erfindung somit darin gesehen werden, dass ein Gleitelement eines Verbrennungsmotors erstmalig vier oder mehr Schichten aufweist. Insbesondere werden der günstige Reibkoeffizient und das gute Einlaufverhalten Kohlenstoff-basierter Schichten mit der Verschleißbeständigkeit einer PVD-Schicht kombiniert. Eine weitere Neuerung besteht darin, dass die äußerste Kohlenstoff-basierte Schicht in eine erste und eine zweite Schicht mit den beschriebenen Eigenschaften und Merkmalen differenziert wird. Insbesondere muss angesichts dieser Differenzierung die innerste (Haft ) schicht nicht notwendigerweise vorhanden sein. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Bei der ersten und/oder der zweiten Kohlenstoff-basierten Schicht handelt es sich bevorzugt um eine Schicht des Typs a~ C:H.

Zwischen der inneren, zweiten Kohlenstoff-basierten Schicht und der PVD-Schicht ist bevorzugt eine dritte, metallhaltige Kohlenstoff-basierte Schicht vorgesehen.

Für die zuletzt genannte Schicht hat sich eine Schicht des Typs a-C:H:W, die dementsprechend Wolfram oder ein anderes geeignetes Metall enthalt, als besonders gunstig erwiesen.

Für das erforderlich Einlaufverhalten bei gleichzeitig gunstigen Reibbeiwerten hat sich für die erste und zweite, gegebenenfalls einschließlich der dritten Kohlenstoff- basierten Schicht eine Dicke von ≥ 3 und/oder < 5 μm als gunstig erwiesen.

Für die Gewährleistung eines über die gesamte Lebensdauer gunstigen Reibungskoeffizienten wird bevorzugt, dass die PVD- Schicht einen Reibungskoeffizienten in der Größenordnung zumindest einer der Konlenstoff-basierten Schichten aufweist.

Insbesondere kann dieser im Bereich von 0,02 (auf Grauguss) liegen .

Für die PVD-Schicht wurden besonders gute Erfahrungen mit einer Schicht des Typs CrN, die dementsprechend auf Chromnitrid basiert, gemacht. Bei der Chromnitrid-basierten Schicht kann es sich um eine Schicht gemäß GOE 243 (Materialspezifikation der Anmeldeπn) handeln. Um die geforderte Lebensdauer in vorteilhafter Weise zu erreichen, wird derzeit eine Schichtdicke für die PVD-Schicht von mindestens 10 μm bevorzugt.

Im Hinblick auf die Haftschicht haben sich bei Versuchen besonders gute Eigenschaften mit einer metallischen Schicht, insbesondere einer Chromschicht, ergeben.

Schließlich haben sich für die Haftschicht Schichtdicken von < 0,5 μm als gunstig erwiesen.